青藏高原夏季砾石与有机质对土壤水热影响的数值模拟

青藏高原(简称高原,下同)地形复杂,各个区域土壤条件差异较大,土壤砾石与有机质对土壤水热有较大的影响。本文使用耦合了CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7,通过修改模式所用地表数据以及相应的土壤水热参数化方案,分别建立了砾石方案(test2)和砾石-有机质方案(test3)。模拟结果表明:test2较原方案(test1)对于高原西部的模拟效果提升明显,但对于高原东部的模拟效果欠佳。test3在test2的基础上,提升了高原中部与东部浅层土壤的模拟效果。test3的浅层土壤区域平均温度均方根误差从2.11 ℃下降到0.47 ℃,浅层土壤区域平均湿度均方根误差从0.05 mm³·mm^-3下降到0.01 mm³·mm^-3。同时,三种方案均能较好地模拟高原的地表温度。其中test3误差最小,区域平均的均方根误差从2.18 ℃下降到0.74 ℃,与再分析数据更加接近。     

区域气候模式RegCM砾石参数化方案在青藏高原不同区域土壤水分输送的模拟分析

在耦合CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7中分别应用原始土壤水热参数化方案与改进后的砾石参数化方案在青藏高原西部、中部与东南部区域进行模拟,并根据砾石分布特征在每个区域选取单点分析了两种方案模拟结果存在差异的原因.在此基础上利用中国陆面融合再分析数据(CRA-40)检验了砾石参数化方案在高原不同区域对于土壤含水量...     

多套土壤温湿度资料在青藏高原的适用性

利用青藏高原中部和东部土壤温度和湿度观测资料,通过计算两套再分析资料(ERA-Interim和CFSR)和六套陆面模式资料(ERA/land、MERRA/land、GLDAS-NOAH、GLDAS-CLM、GLDAS-M OSAIC和GLDAS-VIC)分别与观测资料之间的平均偏差、偏差标准差、相关系数、标准差比等统计参数,结合Brunke排名法,综合评估了再分析资料和陆面模式资料中土壤温湿度数据在青藏高原的适用性。结果表明:对于土壤温度,CFSR与观测值最接近,其次是MERRA/land和GLDAS-CLM,而ERA-Interim和ERA/land与观测值相差较大;除GLDAS-CLM土壤温度比观测值偏高外,其他资料土壤温度在大部分站点比观测值偏低,其中ERA-Interim和ERA/land土壤温度比观测值偏低较多,部分站点平均偏差超过-20℃。对于非冻结期(5 10月)土壤湿度,GLDAS-CLM与观测值最接近,其次是GLDAS-NOAH或ERA-Interim;与观测值相比,CFSR、ERA-Interim和ERA/land的土壤湿度偏湿,平均偏差大部分在0.05~0.20 m3·m-3之间,而GLDAS-NOAH、GLDAS-CLM和GLDAS-M OSAIC的土壤湿度偏干。     

青藏高原中部土壤有机质含量对不同深度土壤温湿度的影响研究

青藏高原中东部地区土壤有机质含量较高,会改变土壤水热性质,从而影响土壤水热传输,但青藏高原土壤有机质含量如何影响温湿度廓线及其空间异质性仍缺乏系统性研究。本文利用那曲相似气候条件下的32个站点的土壤温湿度和有机碳含量观测资料,系统分析了不同土壤有机质含量对暖季不同深度（5,10,20和40 cm）土壤温湿度廓线特征及其空间差异的影响。研究发现,土壤有机质含量是影响5 cm、10 cm土壤水分和5 cm土壤温度空间分布的关键因子。土壤有机质含量显著影响从地表到20 cm深度的土壤水分的廓线特征及变化：有机质含量越高,持水能力越强,导致从地表到20 cm深度土壤水分含量整体偏高。此外,土壤温度的廓线特征及变化也深受土壤有机质含量的影响：有机质含量越高,热惯量越低,土壤温度的日变化振幅越小,且热量向深层传输的相位滞后越明显。     

土壤砾石参数化对一次高原低涡形成发展影响的数值模拟

为了验证陆面过程模式砾石参数化方案在青藏高原上的天气过程的模拟能力,本文通过耦合了砾石参数化方案CLM4.5的区域气候模式RegCM4,对一次高原低涡个例进行模拟研究,利用模拟的500 hPa高空形势场、2 m温湿度和土壤温湿度等数据,结合ERA5资料对比验证分析。结果表明：加入砾石参数化方案的RegCM4对本次高原涡个例模拟效果整体较好;在500 hPa高空形势场中,新方案比旧方案更为准确地模拟出高原涡中心位置和涡区温度场特征;在高原涡生成和发展阶段,新方案模拟的2 m温度和相对湿度效果明显较旧方案强,为低涡的生成和发展提供有利条件;在土壤温湿度的模拟中,加入砾石后提升了土壤的导热率和导水率,使高原涡在初生和发展阶段提供更好的土壤热力和水分条件;高原涡消亡阶段,新方案使浅层土壤温度下降,深层土壤温度升高;在500 hPa反气旋性环流地区,新方案模拟的土壤体积含水量较旧方案偏低,而当青藏高原高空无强烈天气系统时,新旧方案在土壤体积含水量的模拟表现差别不大。在高原涡整个生命史中,新方案在浅层土壤温度的模拟明显优于旧方案,而在土壤体积含水量模拟中第1层效果最好。     

青藏高原春季土壤湿度异常对我国夏季降水影响的模拟研究

利用耦合的全球海气模式（NCAR CCSM3）, 对青藏高原春季土壤湿度异常影响我国夏季7月降水的机制进行了数值模拟。结果表明, 高原6~62 cm深度的中层土壤湿度异常与表层土壤湿度异常有很好的一致性, 相对而言, 中层土壤湿度异常的持续性较好。若5月高原中层土壤偏湿, 则春末至夏初高原地面蒸发、 潜热通量增加, 而感热通量、 地面温度降低, 高原表面的加热作用减弱, 使得印度高压西撤偏晚, 环流系统的季节性转换偏晚, 东亚地区形成有利于我国夏季出现第I类雨型的环流分布形势, 使我国东部雨带偏北, 华北地区多雨, 江淮地区降水偏少, 华南地区降水偏多; 反之亦然。     

两种积云参数化方案对青藏高原夏季降水影响的模拟

利用区域气候模式RegCM4.0分析了Tiedtke和Emanuel两种积云对流参数化方案对青藏高原(下称高原)夏季降水模拟的影响,并利用JRA-25资料和NCEP资料作对比分析。结果表明,高原夏季降水呈南多北少分布,空间变化复杂;降水主要由对流产生,且有明显的逐日和逐月变化趋势;Tiedtke方案模拟的降水强度和分布范围较Emanuel方案和验证资料偏小,但对对流降水日变化模拟较好。对流层中下层大气的干湿状况对降水影响显著;垂直运动和水汽输送受地形影响大,高原中部、东部及西北部地区均有净的水汽输入;高原东南端的强上升运动区可伸至对流层中上层,其余地区垂直运动尺度较小;祁连山地区高层空气下沉、低层空气上升,是造成该地区降水较周边地区偏多的原因之一。本次试验还表明基于质量通量的积云对流参数化方案在高原地区虽具有一定适用性,但Tiedtke方案需很大改进,尤其是对小尺度对流活动的改进,从而提高其模拟能力。     

土壤温湿异常对短期气候影响的数值模拟试验

本文介绍了用IAP气候模式进行关于土壤温度异常和土壤湿度异常的敏感性试验研究,异常区域都取在中国范围内。其中关于土壤温度异常的影响,我们进行了初值异常和固定异常两种试验,而对土壤湿度异常的影响则进行了初始异常的试验。结果表明,土壤温度的初始异常一天以后基本消失,而固定的土壤温度异常和土壤湿度的初始异常对短期(一个月左右)气候有明显影响。土壤温度的影响主要在异常区内及其南部相邻区域,土壤湿度异常的影响则可以以长波波列形式向外传播到很远距离处。     

青藏高原多雪年与少雪年土壤水热特征模拟分析

利用耦合了陆面过程模式(CLM4.5)的区域气候模式(RegCM4)分别对青藏高原的一个多雪年和少雪年进行了数值模拟.通过对比模拟雪深与遥感雪深、土壤温湿度的模拟值与观测值、多雪年与少雪年的土壤温湿度模拟值,结果表明,RegCM4-CLM4.5可以有效模拟出高原的多雪年与少雪年特征,模拟雪深大值中心比遥感雪深高10～2...     

青藏高原夏季土壤有机质及砾石影响水热 传输特性的数值模拟

本文针对青藏高原部分地区土壤有机质和砾石含量较高的特点,在前人工作的基础上,发展了一个新的参数化方案以描述土壤有机质和砾石对土壤导热率、导水率的影响。通过对通用陆面模式CoLM中的土壤水、热参数化方案以及地表蒸发阻抗三方面的逐步改进,对青藏高原藏东南站和纳木错站两种不同下垫面进行单点数值模拟分析。对比原方案与最终优化方案的模拟结果表明:采用新方案的CoLM模式对藏东南站土壤湿度模拟性能明显提高,平均偏差减小到0.04,而对纳木错站浅层20 cm以上土壤湿度的模拟偏差略微增大。新方案在藏东南站对土壤内部温度的模拟改善较为显著,平均偏差减小了0.2℃;而在纳木错站40 cm以上有所改进。新参数化方案较好地模拟了两个观测站表面能量通量的时间变化,纳木错站7、8月份的潜热通量改进尤为明显,比原方案减少大约20 W m-2,与观测结果较为接近。     

砾石对青藏高原土壤水热特性影响的数值模拟

针对青藏高原土壤砾石含量较高的特点,对陆面过程模式CLM4.0土壤结构进行改进,发展了较适合青藏高原土壤特性的土壤参数化方案,在青藏高原那曲(BJ)站进行了应用,通过模拟结果和观测资料的对比,客观评估了新方案的模拟性能。结果表明:砾石含量越高的土壤,其导水率越大。土壤含水量较大时,土壤水势随砾石含量增高而变小;反之,土壤含水量较小时,土壤水势随砾石含量增高而变大。考虑了砾石对土壤水热过程影响后的新方案对土壤含水量和温度的模拟均有一定的改进,其中新方案较原方案对模拟的各层土壤含水量的平均均方根误差降低了32.7%;模拟的各层土壤温度平均均方根误差降低了24.6%。     

初冬青藏高原冻土过程的数值模拟

利用改进了的加进NCAR陆面过程(LSM)的NCAR MM5大气模式中的土壤冻融过程参数化方案和2001年10月2～30日的NCEP再分析资料,对青藏铁路沿线区域进行数值模拟试验。在新方案中改进了土壤径流和土壤渗透影响土壤层的水文过程,增加了对土壤含冰量的求解,较真实地反映了土壤的冻融过程。模拟结果表明,改进土壤冻融过程方案后,模式对地温、地面通量的模拟有一定的改进,能够反映土壤冻结初期陆面要素场的变化。     

基于拉格朗日方法评估青藏高原若尔盖地区水汽输送特征

干旱指数一直以来是评估一个地区地表干湿状态的有效标准.为了认识青藏高原若尔盖地区在极端干旱和湿润条件下的水汽空间分布格局,本文基于地面观测资料计算月尺度的标准化降水蒸散指数,提取2000-2017年青藏高原若尔盖地区的极端干旱和湿润状况,利用拉格朗日后向轨迹模型模拟该地区极端干湿条件下的水汽输送路径,并评估潜在水汽源地...     

植被根系对青藏高原中部土壤水热过程影响的模拟

针对青藏高原中部高寒草甸表层植被根系密集、土壤有机质含量较高的特征,利用陆面模式Noah-M P对1998年5 9月安多站水热过程进行模拟,初步评估了对土壤温度影响较大的物理过程,对比分析了土壤垂直分层、有机质和根系对土壤水热、地表能量模拟的影响。结果表明:Noah-MP模式中地表热交换、辐射传输等6个物理过程对土壤温度的影响较大;考虑垂直分层和有机质影响后,模式对土壤含水量的模拟有所改善,但浅层仍存在较大干偏差;加入根系的影响后,浅层土壤含水量的平均偏差显著减小,由原来的-0.094 m3·m-3减少到-0.016 m3·m-3,浅层土壤温度在模拟后期偏冷,但在深层有一定改善;同时地表感热通量和潜热通量也有明显改善,平均偏差分别由原来的24.3W·m-2、-22.5 W·m-2减小到5.9 W·m-2、1.2 W·m-2。     

CLM4.5模式对青藏高原土壤湿度的数值模拟及评估

本文利用1981～2016年的CRUNCEP资料（0.5°×0.5°）作为大气驱动数据,驱动CLM4.5（Community Land Model version 4.5）模式模拟了青藏高原地区1981～2016 年的土壤湿度时空变化。将模拟数据与台站观测资料、再分析资料（ERA-Interim和GLDAS-CLM）和微波遥感FY-3B/MWRI土壤湿度资料对比验证,表明了CLM4.5模拟资料可以合理再现青藏高原地区土壤湿度的空间分布和长期变化趋势。而且基于多种卫星遥感资料建立的较高分辨率（0.1°×0.1°）的青藏高原地表数据更加细致地刻画了土壤湿度的空间变化。对比结果表明:CLM4.5模拟土壤湿度与各个台站观测的时空变化一致,各层土壤湿度的模拟和观测均显著相关,且对浅层的模拟优于深层,但模拟结果比台站观测系统性偏大。模拟与再分析资料和微波遥感资料土壤湿度的空间分布具有一致性,均表现为从青藏高原的西北部向东南部逐渐增加的分布特点,三江源湿地和高原东南部为土壤湿度的高值区,柴达木盆地和新疆塔里木盆地的沙漠地区为低值区,土壤湿度由浅层向深层增加。土壤湿度的长期变化趋势基本表现为“变干—变湿”相间的带状分布,不同层次的土壤湿度变化趋势基本一致。模拟资料也合理地再现了夏季土壤湿度逐月的变化:高原西南地区的土壤湿度明显大范围增加,北部的柴达木盆地的干旱范围也明显的向北收缩,高原南部外围土壤湿度也明显增加,CLM4.5模拟土壤湿度比再分析资料和微波遥感资料更加细致地描述了夏季逐月土壤湿度空间分布及其变化特征。     

青藏高原东部及邻近地区水汽输送的气候特征

利用1980—1997年垂直积分的整层水汽输送通量资料,分析了青藏高原东部及其邻近地区水汽输送的气候特征。结果表明,该区的水汽输送具有明显的季节变化特征:冬、春季的水汽主要来源于中纬度的偏西风水汽输送,夏季(7月)主要来源于孟加拉湾和南海,秋季(10月)主要来源于西太平洋地区。季风携带的南来水汽在高原东侧地区的进退比较缓慢,8月初北扩到40°N附近,10月中旬南退出30°N,其强弱和进退异常能影响极端旱涝事件的发生。来自南海、西太平洋地区的水汽输送对高原东部及其邻近地区的影响值得关注。